東京工業大学フロンティア研究機構・応用セラミックス研究所の細野秀雄教授と溝口拓特任准教授および物質・材料研究機構らによる研究グループは、フェルミ面を構成する重い電子系と軽い電子系が、交互に層状に積み重なった構造を持つ新タイプの超電導体「CeNi0.8Bi2」を発見したことを発表した。2月2日に「Physical Review Letters」オンライン電子版に掲載された。

細野教授は2008年にLaFeAsO:F系超電導体を発見、新しいタイプの超伝導体として注目を集め、鉄系超伝導と呼ばれる超伝導の分野を切り開いた。鉄系超伝導の前にも銅酸化物系の超伝導が高温超伝導体として話題となっていたが、鉄系や銅酸化物系などの高温超電導体では、結晶構造において超伝導が生じる層と電気が流れにくい層とが交互に積み重なるという特長的な共通点を持っており、鉄系ではFeとAsからなる層が超伝導を担っている。

今回、研究グループでは、LnFeAsO結晶構造(結晶構造名はZrCuSiAs型)を出発点に、より優れた超電導体を探索する過程で、LnFeAsOと同じ結晶構造を持つCeNixBi2に注目。

同物質は構造中に1価のBi陰イオンで構成される平面正方格子という特異な構造単位を持ち(電子構造の見地から電導層を構成できる)、一方でCeという重い電子系を作り出すカギとなるイオンとNiBi層内のキャリアとの相互作用により、興味深い物性が発現するのではないかと期待されていた。

研究では、物質を構成する元素の金属をそれぞれ出発原料として、真空中で加熱することで目的物質を合成。作製した物質について、電気抵抗、帯磁率、比熱を2～300Kの範囲で測定。母物質となるCeNiBi2では超電導は観測されず、Ni欠損を導入した(Niの配合比率を減らした)CeNi0.8Bi2において、4.2K以下で超電導を観測することができたという。

(a)LaFeAsOおよび、(b)CeNixBi2の結晶構造。いずれもZrCuSiAs型に属す。前者においては、ブロック層により挟まれたFeAs層内の、伝導電子により超伝導が発現する。後者は、CeNixBi(1)3-Bi(2)1-と表記することが可能で、2種の価数のBi陰イオンを含んでおり、Ce3+イオンは、ク－ロン力により、より負な価数状態であるBi(1)3-イオンに引き付けられている。その結果、Bi(2)1-の正方格子とCeNixBi(1)の2層の交互積層から成っている。Bi(2)1-正方格子層は、正孔を有しており、軽い電子系として超電導を担う。CeNixBi(1)層は、Ce3+の4f電子との相互作用を通して、低温で電導電子の有効質量の増大(重い電子系)を示し、5Kで4f電子の反強磁性的配列を示す

また比熱測定では5K以下で反強磁性となることが観測され、反強磁性と超電導が共存するという点からも特異な物質であると研究グループでは指摘している。詳細な検討を行った結果、反強磁性転移はCeが関連した重い電子系(軽い系の400倍)が担うものであり、超電導はBi平面正方格子から生じる軽い電子系が担うものであることが判明。その結果、この物質はフェルミ面を構成する重い電子系と軽い電子とが一層ごとに交互に存在する、新しいタイプの超電導体であることが確認された。

今回の研究によって発見されたCeNi0.8Bi2は、重い電子系と軽い電子系の共存、超電導と反強磁性の共存という2つの面から興味深い物質と研究グループでは指摘している。また、鉄系超電導の基の物質と同じ構造をとる化合物は数百種類も知られており、今回の物質もその一種と見做すことができるため、このような金属の正方ネットをもつ物質を新たな超電導体探索のプラットフォームに置くことで、さらにTcの高い優れた超電導体を見いだしていくことが期待できるとしている。